CN109082703B - 一种纳米多孔硅单凸透镜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米多孔硅单凸透镜的制备方法，该方法是将常规作为电极的薄铂片做成空心球体并把从空心球体上截得的一个球冠做成阴极，且球冠形薄铂片的凸面背离硅片，使用圆形平板薄铂片作为阳极，且在球冠形薄铂片与平板薄铂片之间放置硅片，硅片将腐蚀液分隔成两个独立的部分；先采用恒流源对硅片进行电抛光，而使硅片靠近球冠形薄铂片电极的一面形成凸形球表面、靠近平板薄铂片电极的一面保持平面；再将球冠形薄铂片电极换成圆形平板式薄铂片电极，对硅片进行电化学腐蚀而形成纳米多孔硅单凸透镜。通过本发明的方法，能获得纳米多孔硅单凸透镜，能广泛应用于微光机电系统，为微光机电系统领域作出了重大的贡献。

Description

一种纳米多孔硅单凸透镜的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术和光学工程领域，具体涉及一种纳米多孔硅单凸透镜的制备方法。

背景技术

1956年，Uhlir对硅片在HF溶液中进行电化学抛光处理时发现了多孔硅的存在；1990年，Canham发现了多孔硅在室温下发出可见光，这个发现为多孔硅的研究开辟了新纪元，即室温下发光多孔硅研究阶段；多孔硅在室温下的发光展示了硅在光电子学、光学器件以及显示技术等方面广阔的应用前景。特别是1996年，Hirschman首次实现硅基光电集成原型器件是多孔硅应用研究的一个里程碑。

多孔硅膜是一种海绵状的有着巨大比表面积的多孔材料。这种材料同时具有造价低廉、生物兼容性好并且能和现有集成电路工艺完全兼容。尽管多孔硅从20世纪90年代以来作为一种优质的传感器材料受到人们广泛的关注，但至今对使用多孔硅材料制备光学器件还较少，在光机电一体化研究方面尤其少见。

微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微电子机械系统、微系统和微机械等。是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源、微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口和通信等于一体的微型器件或系统，尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。

近年来，随着微电子技术的快速发展，电子器件、MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器的尺寸越来越小。微光机电系统集成研究正在快速发展，硅基微光、机、电及集成技术正受到高度重视，而透镜、棱镜和反射镜等微光学元件是微光机电系统的重要组成部分，它们可以对微光路进行转换、传输和处理，以达到光的发射、聚集、偏振、干涉和散射的目的，但使用多孔硅材料制备微透镜、棱镜和反射镜等微光学元件研究还很少。

已经有文献使用聚甲基丙烯酸甲酯 (Polymethylmethacrylate，简称PMMA)掩蔽硅，利用选择性的电化学腐蚀过程制备氧化多孔硅光波导棱镜的方法，分别制备出基于多孔硅的汇聚和发散透镜。这类波导棱镜可以明显地汇聚和发散波导中传输的偏振光束。但这种方法工艺复杂，可控性不强，也难以实现微光-机-电系统集成。

发明内容

为了实现硅基微光、机、电微系统集成，本发明的目的是提供一种纳米多孔硅单凸透镜的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种纳米多孔硅单凸透镜的制备方法，其特征在于，该方法是将常规作为电极的薄铂片做成空心球体并把从空心球体上截得的一个球冠做成阴极，且球冠的凸面均背离硅片，使用圆形平板薄铂片作为阳极，且在球冠薄铂片阴极与平板薄铂片阳极之间放置硅片，硅片中心轴线、平板薄铂片阳极中心轴线、球冠形薄铂片阴极的圆心与球冠形薄铂片阴极的中心轴线四者重合，硅片离阳极、阴极的距离相等，硅片将腐蚀液分隔成两个独立的部分；先采用恒流源对硅片进行电抛光，而使硅片靠近球冠电极的一面形成凸形球表面；再将球冠形薄铂片换成圆形平板式薄铂片，对硅片进行电化学腐蚀而形成多孔硅单凸透镜。

本发明的原理是：纳米多孔硅单凸透镜的制备分2个过程，首先，使用大于硅片常规电抛光电流的大恒流腐蚀电流对硅片进行电抛光，一方面，在正常的大恒流腐蚀电流密度条件下，对硅片表面进行电抛光，由于使用的是大恒腐蚀电流且一面是球冠形薄铂片阴极、另一面是圆形平板式薄铂片阳极，以两个电极中心轴为中心，离中心轴越远，腐蚀电流密度越大，对硅片的抛光速度越快，从而形成以硅片中心轴为中心，离中心轴越远，抛光越深，导致在硅片上且面向球冠薄铂片电极的那面形成凸形球表面；在电抛光完成之后，改用小于硅片常规电抛光电流的小恒腐蚀电流对硅片进行电化学腐蚀，形成多孔硅薄膜，直到整个硅片全部形成由多孔硅材料构成的单凸透镜。

通过改变薄铂片空心球体的半径R、球冠高度H和球冠阴极底部所在平面与平板阳极之间的距离L的大小以及电抛光条件可以改变单凸透镜的外凸面的曲率半径。

优选地，作为阴极的阴极的球冠形薄铂片的球冠高度H=0.01~0.5R。

优选地，球冠电极底部所在平面与平面电极之间的距离L=0.02~10R。

本发明的有益效果是：通过本发明的方法，能获得纳米多孔硅单凸透镜，能广泛应用于微光机电系统，为微光机电系统领域作出了重大的贡献。

附图说明

图1为本发明所涉及到的电解腐蚀槽结构示意图

其中，1、腐蚀槽，2、硅片，3、球冠形薄铂片，4、平板薄铂片，5、密封支架。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。以下所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何本技术领域的技术人员可能利用本发明公开的技术内容加以变更为同等变化的等效实施例。故凡是未脱离本发明方案的内容，依据本发明的技术实质对以下实施例做简单修改或等同变化，均应落在本发明的保护范围内。

实施例一

本发明的纳米多孔硅单凸透镜的制备方法，具体包括如下步骤：

1、选用硅片类型为P₁₀₀、电阻率为0.01Ω.cm、厚度为500μm的单面抛光的硅片2，一个薄铂片（厚度为200μm）球（半径是2cm）冠3底面长度=硅片直径作为阴极、圆形平板薄铂片4（厚度为200μm）作为阳极；保证硅片2中心轴线、平板薄铂片4、球冠形薄铂片3的圆心与球冠形薄铂片3中心轴线四者重合，硅片2、平板薄铂片4和球冠形薄铂片3全部浸没在电解腐蚀液中进行电化学腐蚀，硅片2抛光面面对球冠形薄铂片3的凹面，电解腐蚀液是按氢氟酸：无水乙醇和去离子水以体积比为1:1:2配制的。

2、连接好电路：即在腐蚀槽1内放有腐蚀液，在腐蚀槽1内的中间通过密封支架5放置硅片2，硅片2将腐蚀槽1中的腐蚀液分隔成独立的两部分，在腐蚀槽1内的两端对称放置球冠形薄铂片3作为阴极和平板薄铂片4为阳极，且球冠形薄铂片3的凸面背离硅片2，其中球冠形薄铂片3底部所在平面中心与平板式薄铂片4中心之间距离是0.25cm，硅片2、平板薄铂片4和球冠形薄铂片3（硅片2的腐蚀直径和球冠形薄铂片3底部面直径相等，均为2厘米）浸泡在腐蚀液中。在腐蚀槽1外设有恒流源，恒流源是通过TekVisa AFG3101任意波形发生器产生的，该恒流源的正、负极通过导线分别与平板薄铂片4、球冠形薄铂片3两个电极连接，工作时，电流源的正负极通过腐蚀液形成电流回路。

3、在硅片抛光面形成一面凸面、另一面平面形硅状体：恒流源的平均抛光电流大小为120mA/cm²，电抛光时间为20Min，使硅片在一面抛光成凸面形，另一面保持平面的硅状体。

4、使用2%氢氧化钠溶液（按氢氧化钠：去离子水以质量比为1:49配制的）把硅片表面的多孔硅腐蚀30分钟时间，形成一面抛光成凸面形，另一面为平面的单面凸透镜硅状体。

5、形成多孔硅单面凸透镜：将球冠形薄铂片3换成平板圆形薄铂片（厚度为200μm），并改变腐蚀电流的大小，对硅片进行腐蚀形成多孔硅膜，进行两组试验，且两组试验中的变化量为腐蚀电流密度，且腐蚀电流密度为50mA/cm²和40mA/cm²，在单面凸透镜硅状体上形成多孔硅，直到腐蚀完成，得到由多孔硅薄膜材料构成的单面凸透镜。

6、为了研究问题的方便，我们选择了两组实验，其实验参数和对应的数据如下：

编号	抛光电流（mA/cm<sup>2</sup>）	抛光时间(min)	腐蚀电流（mA/cm<sup>2</sup>）	腐蚀时间(min)	多孔度	多孔硅凸透镜中心、边缘厚度(μm)
							⑴	120	20	50	150	60%	~425、330
⑵	120	20	40	187	55%	~420、325

7、根据相关文献并结合上述的实验条件，得到所形成的两个多孔硅薄膜构成的单面凸透镜的多孔度分别约为60%、55%，单面凸透镜的中心、边缘厚度大约分别为425、330μm和420、325μm；

8、当纳米多孔硅单面凸透镜制备完毕后，将多孔硅单面凸透镜样片迅速放入高纯度的去离子水中清洗10分钟，使多孔硅单面凸透镜内的电化学腐蚀液(氢氟酸和水)及其它的反应生成物置换出来；然后，将多孔硅单面凸透镜浸泡在过氧化氢和去离子水(体积比为2:100)的混合液中进行后处理6小时；

9、后处理完毕后，使用去离子水冲洗，最后在空气中干燥；

10、检验合格后即为成品。

实施例二

本发明的纳米多孔硅单凸透镜的制备方法，具体包括如下步骤：

1、选用硅片类型为P₁₀₀、电阻率为0.01Ω.cm、厚度为500μm的单面抛光的硅片2，一个薄铂片（厚度为200μm）球（半径是2cm）冠3底面长度=硅片直径作为阴极、圆形平板薄铂片4（厚度为200μm）作为阳极；保证硅片2中心轴线、平板薄铂片4、球冠形薄铂片3的圆心与球冠形薄铂片3中心轴线四者重合，硅片2、平板薄铂片4和球冠形薄铂片3全部浸没在电解腐蚀液中进行电化学腐蚀，硅片2抛光面面对球冠形薄铂片3的凹面，电解腐蚀液是按氢氟酸：无水乙醇和去离子水以体积比为1:1:2配制的。

2、连接好电路：即在腐蚀槽1内放有腐蚀液，在腐蚀槽1内的中间通过密封支架5放置硅片2，硅片2将腐蚀槽1中的腐蚀液分隔成独立的两部分，在腐蚀槽1内的两端对称放置球冠形薄铂片3作为阴极和平板薄铂片4为阳极，且球冠形薄铂片3的凸面背离硅片2，其中球冠形薄铂片3底部所在平面中心与平板式薄铂片4中心之间距离是0.25cm，硅片2、平板薄铂片4和球冠形薄铂片3（硅片2的腐蚀直径和球冠形薄铂片3底部面直径相等，均为2厘米）浸泡在腐蚀液中。在腐蚀槽1外设有恒流源，恒流源是通过TekVisa AFG3101任意波形发生器产生的，该恒流源的正、负极通过导线分别与平板薄铂片4、球冠形薄铂片3两个电极连接，工作时，电流源的正负极通过腐蚀液形成电流回路。

3、在硅片抛光面形成一面凸面、另一面平面形硅状体：恒流源的平均抛光电流大小为100mA/cm²，电抛光时间为25Min，使硅片在一面抛光成凸面形，另一面保持平面的单面凸透镜硅状体。

4、使用2%氢氧化钠溶液（按氢氧化钠：去离子水以质量比为1:49配制的）把硅片表面的多孔硅腐蚀30分钟时间，形成一面抛光成凸面形，另一面为平面的硅状体。

5、形成多孔硅单面凸透镜：将球冠形薄铂片3换成平板圆形薄铂片（厚度为200μm），并改变腐蚀电流的大小，对硅片进行腐蚀形成多孔硅膜，进行两组试验，且两组试验中的变化量为腐蚀电流密度，且腐蚀电流密度为50mA/cm²和40mA/cm²，在单面凸透镜硅状体形成多孔硅，直到腐蚀完成，得到由多孔硅薄膜材料构成的单凸透镜。

6、为了研究问题的方便，我们选择了两组实验，其实验参数和对应的数据如下：

编号	抛光电流（mA/cm<sup>2</sup>）	抛光时间(min)	腐蚀电流（mA/cm<sup>2</sup>）	腐蚀时间(min)	多孔度	多孔硅凸透镜中心、边缘厚度(μm)
							⑴	100	25	50	150	58%	~420、325
⑵	100	25	40	185	53%	~415、320

7、根据相关文献并结合上述的实验条件，得到所形成的两个多孔硅薄膜构成的单面凸透镜的多孔度分别约为58、53%，单面凸透镜的中心厚度大约分别为420、325μm和415、320μm；

8、当纳米多孔硅单面凸透镜制备完毕后，将多孔硅单面凸透镜样片迅速放入高纯度的去离子水中清洗10分钟，使多孔硅凸透镜内的电化学腐蚀液(氢氟酸和水)及其它的反应生成物置换出来；然后，将多孔硅单面凸透镜浸泡在过氧化氢和去离子水(体积比为2:100)的混合液中进行后处理6小时；

9、后处理完毕后，使用去离子水冲洗，最后在空气中干燥；

10、检验合格后即为成品。

Claims (3)

1.一种纳米多孔硅单凸透镜的制备方法，其特征在于，该方法是将常规作为电极的薄铂片做成空心球体并把从空心球体上截得的一个球冠做成阴极，作为阴极的球冠形薄铂片球冠高度H=0 .01~0 .5R，其中R为球冠电极所在的空心球体半径；且球冠形薄铂片的凸面背离硅片，使用圆形平板薄铂片作为阳极，且在球冠形薄铂片与平板薄铂片之间放置硅片，硅片的中心轴线、平板薄铂片中心轴线、球冠形薄铂片的圆心与球冠中心轴线四者重合，硅片离阴极、阳极的距离相等，球冠形薄铂片阴极底部所在平面与平板薄铂片阳极之间的距离L=0 .02~10R，其中R为球冠电极所在的空心球体半径；硅片将腐蚀液分隔成两个独立的部分，其中腐蚀液是按氢氟酸：无水乙醇和去离子水以体积比为1:1:2配制的；先采用恒流源的大于硅片常规抛光电流的大恒流腐蚀电流对硅片进行电抛光，而使硅片靠近球冠形薄铂片电极的一面形成凸形球表面、靠近平板薄铂片电极的一面保持平面；然后使用2%氢氧化钠溶液把硅片表面的多孔硅腐蚀；再将球冠形薄铂片电极换成圆形平板式薄铂片电极，同时改用小于硅片常规抛光电流的小恒腐蚀电流对硅片进行电化学腐蚀而形成纳米多孔硅单凸透镜。

2.根据权利要求1所述的纳米多孔硅单凸透镜的制备方法，其特征在于，上述电抛光的具体过程是，首先，使用大恒流腐蚀电流对硅片进行电抛光，一方面，在正常的大于硅片常规抛光电流的大恒流腐蚀电流密度条件下，对硅片进行电抛光，由于使用的一面是球冠形电极、另一面是圆形平板电极，以两个电极中心轴为中心，离中心轴越远，腐蚀电流密度越大，对硅片的抛光速度越快，从而形成以硅片中心轴为中心，离中心轴越远，抛光越深，导致在硅片上靠近球冠形薄铂片的那一面形成的凸形球表面。

3.根据权利要求1或2所述的纳米多孔硅单凸透镜的制备方法，其特征在于，上述电化学腐蚀的具体过程是在电抛光完成之后，再将球冠形薄铂片换成圆形平行式薄铂片，同时改用小于硅片常规抛光电流的小恒腐蚀电流对硅片进行电化学腐蚀，形成多孔硅薄膜，直到整个硅片全部形成由多孔硅材料构成的单面凸透镜。

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